数字化无线采集传感器的研究

　　我国10kV输配电网络分布广泛,其运行的安全与群众的用电安全密切相关。为更好地保证群众用电质量,电网部门对10kV输配电网络的信息采集变得尤为重要。在低压居民用电中,正确的台区用电关系对用电管理、线损管理也很重要,对于不明确的中压配网拓扑线变关系中,通过开关下火点和用户变电流同步测量法能够快速明确判断定位线-变对应关系。由于10kV输配电网运行复杂,传统传感器在数据采集上不能满足现今数据采集需求,高压下火点三相电流的测量传感器,基于安全考虑需要无线型式开口安装,基于抗干扰和精度考虑需要数字编码无线传输技术,基于电池供电需要低功耗测量传输技术,采用数字化无线传感器可通过无线连接对前端传感器采集到的数据进行传输,PC端对接收端的接收数据进行处理解析,对电网线变关系判断的时效性有很大的提升。

　　1 系统总体结构设计及数字化无线采集传感器组成

　　数字化无线采集传感器主要结构为模拟式传感器、数据采样、模数转换和无线传输部分。以往的系统都只是对模拟式传感器采集到的模拟信号通过有线通信的方式对数据进行传输,但有线通信设备不能适应复杂的运行环境,其安装也比较麻烦,后期维修不方便。本系统通过单片机的采样算法对模拟式传感器的模拟信号进行采集后对其模拟量进行放大和滤波,之后将滤波后的模拟信号通过模数转换电路进行模数转换,最后由无线传输技术将转换后的数字信号通过无线传输到PC端的收发器处理接收到的数据,可适应多种复杂的运行环境,设备的安装也简单很多,这对于后期设备的维修也提供了便利。系统总体结构为:模拟式传感器-单片机-A/D转换-无线传输-无线通信-APP端数据监测、PC端数据监测。

　　数字化无线采集传感器将传统模拟式传感器、单片机和A/D转换电路融为一体,其组成为:传统模拟式传感器-放大电路-智能滤波-数据采集-A/D转换-数字信号。在数字化无线传感器的传统模拟式传感器部分,可根据需求的不同选择满足要求的模拟式传感器,之后根据所选择的模拟式传感器对单片机中数据处理部分的程序进行修改,即可实现在同一原理下数字化采集传感器在不同场景的应用。其单片机部分对模拟式传感器的模拟信号进行数据采集、放大和智能滤波,其中数据采集中通过采样算法按照一定的周期对模拟式传感器数据进行采集。由于采集到的数据可能信号比较微弱或有与采集信号无关的信号,需对采集到的数据进行放大和滤波处理,这有利于更好地分析数据。

　　为提高传感器的抗干扰能力和信号传输距离,需对处理过的模拟信号进行模数转换,由于A/D转换速率相对延迟于处理后的数据,单片机需通过软件方式将处理后的数据进行存储和记忆,提高了传感器的可靠性[1]。为降低数字化无线传感器的使用功率,对数字化无线传感器的电路算法进行优化,相对于传统电流互感器的电磁感应原理,优化后的电路算法采用的空心线圈互感器使用硅片制作,可减小电能的损耗(图1)。

　　2 传感器采样算法

　　我国电网频率为50Hz,数字化采集传感器对数据的采集频率应大于50Hz,这样才能在电网的一个周期内发现电网中所采集部分的数据是否符合电网安全运行要求,并及时对电网发生的变化进行处理以降低电网故障带来的损失。以T为样本采集周期,连续时间t由采样时刻序列K(T)表示,以采样点的总参数进行求和运算,得出累计求和时间,将积分运算结果以求得的累积求和值代替,使差值为一阶差,上述近似算法变换方式为公式:

　　式中T表示采样周期(其中T大于50Hz);e(k)表示在k时刻的采样偏差值;e(k-1)表示在k-1时刻的采样偏差值;k表示采样次数,通常取值1、2、3...将上述三个变换式整理后,得到离散数字化采样算法表达式如公式:

　　3 传感器无线传输方式

　　在10kV输配电网络中,传感器设备的安装环境比较复杂,可能在十几米高空也可能在变压器附近。为适应电网数据采集复杂情况,有线传输不能很好的适应环境需求,而无线组网可减少有线的乱拉乱放,可以实现远程控制和大数据量的传输,因此对于无线传输方式的选择尤为重要。在众多无线传输方式中,蓝牙传输和广域网传输较为符合数据采集环境,但蓝牙传输相对于广域网传输距离短、传输速率慢。广域网技术具有覆盖距离长、能满足小范围上网需求、传输速率快,不受线路布局限制以及功率要求低等优势,已成为电网数据采集无线传输的理想传输方式[2]。

　　数字化无线采集传感器将广域网模块与数字化采集传感器进行集成,广域网模块将A/D转换后的数字信号进行打包封装再对数据进行传送。由于电网的数据量巨大,无线传输速率的高低直接影响了传输质量,进而降低了监测的准确性。采用广域网传输可保证大数据的快速传输,真正实现对电网的实时数据采集监测,提高了电网传感器采集数据的准确性[3]。

　　数字化无线传感器无线通讯中,采集器为路由、传感器为节点。由采集器定时主动往下读传感器的参数,每一个传感器都有一个独立的地址,每一帧的数据有控制符(2octets)、序号(1octets)、PANID与目标地址(4octets)、数据单元(modbus标准协议+源地址+校验(6octets))、校验码(2octets)。采集到的数据由采集器定时主动上传云平台。采集器主动读传感器的帧结构以IEEE802.15.4协议为基础,数据单元带有自定义的协议:modbus标准协议+源地址+校验(6octets)。无线接收转发模块通过上行广域网(以太网/2G/3G/4G/NB)进行数据采集,下行采用局域无线(Zigbee/Lora/433(470)等)或RS485通信方式对节点设备进行数据采集。无线接收转发模块通信协议采用透传方式,可同时使用三种不同下行链路适用于多种通信协议场合,如MODBUS＿RTU、DL/T645-2007、CJ/T188-2004。

　　综上,数字化无线采集传感器对于10kV电网复杂网络环境的数据采集提供了更多的便利,对于电网数据采集信息的时效性有了很好的保证。在对单片机软件优化后可根数据的不同属性对采集的模拟信号进行智能化处理,减少硬件的使用,其广域网(以太网/2G/3G/4G/NB)传输可让数据采集者时刻监测数据,对电网传感器的应用有很大使用价值,通过优化后的电路,对于降低数字化无线传感器的功率提供了关键技术。